JPH0290005A - 二次元位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光の当たった位置を検出する二次元位置セン
サに関する。

〔従来の技術〕

トンネルなどを掘り進む場合、掘削機の掘進方向を正確
に知る必要がある。しかし、掘削機は地中にあるため、
目視によって掘進方向を知ることは困難である。そこで
、掘削機の掘進方向を検出するために、掘削機の後方の
トンネル内の所々に、レーザ光源と受光器（位置検出器
）とを配設するとともに、レーザ光を前方と後方の受光
器に向けて出射し、受光器に当たったレーザ光の位置か
らトンネルの方向、掘削機の姿勢などを検出するように
している。そして、近年は、位置検出器としてシリコン
フォトダイオードの原理を応用した二次元位置センサが
利用されている。

この二次元位置センサは、第１３図に示すように、空乏
層１０を介してＰ層１２とＮ１１１４とが設けてあり、
正方形状の２層１２０対向した一対の辺に電極１６．１
８を取り付け、Ｎ層１４のＰ層１２の電極を設けた辺と
異なる一対の辺に電極２０．２２を取り付けている。そ
して、このセンサに光が当たると、その位置から光電流
が発生し、各電極１６．１８．２０．２２に分割出力さ
れる。

そこで、各電極から取り出された電流を演算回路を用い
て電圧変換、除算を行い、例えばＸ−Ｙ座標電圧として
取り出し、光の当たった位置を求める。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記した従来の二次元位置センサは、背景光が
当たると、背景光によって発生した光電流も信号光によ
る電流とともに出力されることになり、誤差が生じ易い
、このため、背景光による影響を小さくするために、信
号光を強くする等の処置が必要となる。

また、第１４図のように、外乱光２４と信号光２６とが
センサ面上の２個所以上の位置に同時に当たった場合、
外乱光２４と信号光２６との出力分離が不可能であるた
め、光の当たって位置が外乱光２４と信号光２６とによ
る重心２８として出力され、信号光２６が当たった位置
を求めることができない。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもので、外乱光による影響の少ない二次元位置センサ
を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る二次元位置セ
ンサは、並列に配設した複数の第１の電極と交差して第
２の電極を複数設け、これら第１の電極と第２の電極と
の少なくともいずれが一方を透明電極にするとともに、
前記第１の電極と前記第２の？ｆ掻との間に受光素子を
介在させたことを特徴としている。

〔作用］ 上記の如く構成した本発明は、透明電極を介して受光素
子に光りが入射すると、この受光素子の上下面に接触し
ている第１の電極と第２の電極とに光電流が出力される
。従って、複数の第１の電極と第２の電極とを順次走査
して信号を取り出すことにより、光が入射した受光素子
の位置を知ることができる。しかも、各電極が出力する
光Ｎ　流は、分割出力されたものでないため、大きな光
電流が出力され、外乱光の影響を受けにくい感度の良い
センサを得ることができる。そして、外乱光と信号光と
がセンサ面上の２個所以上の位置に同時に当たったとし
ても、光が当たった各位置を求めることができ、信号光
による出力電流を外乱光による電流から分離でき、信号
光の当たった位置を求めることができる。また、当った
光の断面の形状、寸法も認識できる。

（実施例） 本発明に係る二次元位置センサの好ましい実施例を、添
付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明の実施例に係る二次元位置センサの正
面図である。

第１図において、二次元位置センサ３０は、ガラス、セ
ラミックまたは有機材からなる透明基板３２上に複数の
透明電極Ｙ、−Ｙ、が設けである。

透明電極Ｙ１〜Ｙ、は、導電性酸化錫・インジウム（Ｉ
ＴＯ）、酸化錫（Ｓｎｏ□）、酸化インジ・ラム（Ｉｎ
ｔｏ）等によって図の縦方向（Ｙ方向）に帯状に形成さ
れ、図の横方向（Ｘ方向）に等間隔に並列に？ｊ［数装
置しである。また、透明電＃１ｉＹ、〜Ｙ、の上方には
、後述する受光素子を介して複数の電極Ｘ１〜ｘ、、が
透明電極Ｙ、〜Ｙ。

に直交して形成しである。電８ｉＩＸ、〜ｘ１は、金、
根、胴、アルミニウム等の金属によって帯状に形成され
、Ｙ方向に等間隔で複数配置されている。

透明電極Ｙ１〜Ｙｎと電極ｘＩ〜χ、との各交点には、
第２図に示したように、受光素子Ｄ　ＩＩ〜Ｄ□が設け
である。各受光素子ＤＩｌ〜Ｄ□は、それぞれＰ層３４
．１層３６、Ｎ層３８が積層さ瓢ＰＩＮダイオードを構
成している。

このように構成した二次元位置センサ３０は、各透明電
極Ｙ、〜Ｙ、、と電極Ｘ、−ＸＲとが透明基板３２に周
辺部に設けたバフ）電極部（図示せず）に接続され、こ
のバット電極部を介してワイヤまたはリード線により周
辺回路に接続されて使用される。そして、各受光素子Ｄ
Ｉｌ〜Ｄ□の出力電流（信号）を検出する場合、第３図
に示したように透明電極Ｙ、〜Ｙ、ｌをスイッチＳＹ、
〜ＳＹ、に接続するとともに、電ｈ　ｘ　＋〜Ｘ７をス
イッチＳＸ、−５Ｘ、ｌに接続し、スイッチＳＹ、〜Ｓ
ｙ、、ｓｘ、〜Ｓχ０切り替えることによって行う。す
なわち、スイッチＳＸ１を閉じると受光素子ＤＩｌ〜Ｉ
）＋ａが図示しない演’ＩＩ器等に接続され、スイッチ
ＳＹＩを閉じることにより、受光素子り、のみを選択し
て出力信号を得ることができる。

また、スイッチＳＸ、を閉じたままスイッチＳＹ１を解
放し、スイッチＳ　Ｙ　ｚを閉じることにより、受光素
子Ｄｌｔのみを選択することができる。このようにして
、スイッチｓｘ、−ｓｘ、とスイッチＳＹ、−３Ｙ、と
を順次切り替えることにより、各受光素子り、〜Ｄ１の
出力信号を得ることができる。

具体的な検出回路は、第４図のように構成される 第４図において、二次元位置センサ３０の透明電極Ｙ１
〜Ｙ７は電源供給用のアナログスイッチ４０の各チャン
ネルに接続され、電極Ｘ１〜Ｘａは信号取り出し用アナ
ログスイッチ４２の各チャンネルに接続される。アナロ
グスイッチ４０の入出力コモン端子は、電源ＶＣＣに接
続する。また、アナログスイッチ４２の入出力コモン端
子には、検出信号を増幅する増幅器４４が接続され、増
幅器４４の出力信号が比較器４６に人力するようになっ
ている。そして、各アナログスイッチ４０゜４２には、
コントローラ４８．５０が接続され、コントローラ４８
．５０によって入出力コモン端子と各チャンネルとの接
続、遮断の制御がなされるようになっている。

すなわち、各コントローラ４８．５０は、第５図０）　
ヨ’）　ニハス５２．５４を介してマイクロコンピュー
タ５６に接続してあり、マイクロコンピュータ５６から
制御信号を受けるようになっている。

また、コントローラ５０は、アナログスイッチ４２の切
り替え信号に同期して増幅器４４と比較器４６とに信号
を出力し、比較器４６の出力信号をマイクロコンピュー
タ５Ｇに人力する。マイクロコンピュータ５６は、電源
ＶＣＣに接続したスタビライザ５８から駆動電圧が供給
され、二次元位置センサ３０の検出データを出力する。

光が当たった位置の検出は、次の如くして行う。

マス、マイクロコンピュータ５６は、コントローラ４８
に制御信号を送出し、アナログスイッチ４０の透ｒＩＡ
電極Ｙ、が接続しであるチャンネルを人出力コモン端子
に接続し、電極Ｙ、に電圧ＶＣＣを印加する。また、マ
イクロコンピュータ５６は、コントローラ５０を介して
アナログスイッチ４２を作動し、アナログスイッチ４２
のｔ極ｘ１が接続しであるチャンネルを入出力コモン端
子に接続し、受光素子Ｄ　１１の出力信号を増幅器４４
に入力する。増幅器４４は、受光素子Ｄ１１の信号を増
幅し２て比較２Ｓ４６に送る。比較器４６は、入力して
きた値を設定された基準値と比較し、受光素子り、に光
が当たっていれば「１１」を出力し、光が当たっていな
ければ「Ｌ」を出力する。比較器４６の出力信号は、コ
ントローラ５０を介してマイクロコンピュータ５６に入
力され、マイクロコンピュータ５６内の図示しないメモ
リに格納される。

マイクロコンピュータ５６は、受光素子り、、について
のデータを得ると、アナログスイッチ４２を切り替えて
受光素子１）ｚ＋についてのデータを同様にしてメモリ
に格納する。以下、同様にしてアナログスイッチ４２の
各チャンネルを切り替え、ｉｔ電極、〜Ｘ７を介して受
光素子［）ｓｒ〜Ｄａ＋のデータを収集し、メモリに格
納する。

マイクロコンピュータ５６は、受光素子り、〜Ｄ９１に
ついてのデータの収集が終了すると、アナログスイッチ
４０を切り替えて透明電極Ｙ１を電源■。、から遮断す
るとともに、透明電極Ｙ、を電源ＶＣＣに接続し、受光
素子Ｄ１！〜Ｄｎｔに電圧ＶＣＣを印加する。そして、
受光素子ＤＩｌ〜Ｄ、ＩＩのデータを収集したときと同
様に、アナログスイッチ４２をｌ１ｌｆｉ次切り替えて
受光素子ＤＩｉ〜Ｄｏｔのデータをメモリに格納する。

このようにして、マイクロコンピュータ５６は、受光素
子り、〜Ｄ□のデータの収集が終了すると、これらのデ
ータから光が当たっている中心を演算し、出力ｖｉ置に
出力する。

このように、実施例においては、透明電極Ｙ１〜Ｙ７と
電極Ｘ１〜Ｘ、、との交点に設けた受光素子り、〜Ｄ　
ｎｎの出力信号を検出するようにしており、従来の広い
面積の受光素子に当たった光により生じた光電流を分割
して出力するのと異なり、外乱光の影響が少なく、また
外乱光と信号光とを分離することができる。

なお、前記実施例においては、受光素子ＤＩｌ〜Ｄ工を
透明基板３２にＰ層、１層、Ｎ層の順に積層した場合に
ついて説明したが、Ｎ層、１層、Ｐ層の順に積層しても
よい、また、前記実施例においては、電極Ｘ１〜Ｘ７を
金属で形成した場合について説明したが、電極Ｘ１〜Ｘ
、を透明電極としてもよい、そして、二次元位置センサ
３０の上面に、保護膜を設けてもよいことは勿論である
。

亀上叉扇朋 一辺１２０ｍｍの正方形の透明ガラス板に、Ｘ方向（第
１図の上下方向）に延在させた厚さ１μｍ、１００μｍ
幅のＩＴＯｉ！明導電体を、Ｘ方向（第１図の左右方向
）に１００μｍ間隔で２５７本形成し、透明電極を作成
する０次いで、この透明電極上に１００μｍ角、厚さ５
００人のＮ型シリコン半導体を１００μｍ間隔で定着さ
せる。その後、Ｎ型シリコン半導体の上に真正半導体を
５０００人定着させて１層を形成し、この１層の上にＰ
型シリコン半導体を２００人定着させ、ＰＩＮ構造のシ
リコン受光素子を形成する０次に、Ｘ方向に延在させた
厚さ１μｍ、幅１００μｍの電極を、シリコン受光素子
を通過し、かつ透明電極を横切って金蒸着により２５７
本形成する。

このように作成したアモルファスＳｉ　：Ｈ（水素化シ
リコン）二次元位置センサ３ｏは、第６図のように透明
電極６０と電極６２とがリード線６４を用いて回路基板
６６に接続される。なお、二次元位置センサの各電極は
、第６図のように１つおきに反対側を回路基板に接続し
てもよいし、第７図のように各電極の同Ｌ７側だけを接
続するようにしてもよい。そして、電源供給用のアナロ
グスイッチの入出力コモン端子を電源に結線し、各チャ
ンネルを各シリコン受光素子のカソードに接続する。一
方、信号取り出し用のアナログスイッチの各チャンネル
と受光素子の出力側（アノ−１）とをコンデンサを介し
て結線する。アナログスイッチが８チヤンネルの場合、
コントロール端子は３ビツトである。また、１６チヤン
ネルのアナログスイッチの場合には、コントロール端子
が４ビツトとなる。そして、アナログスイッチの数は、
１６チヤンネルのものを使用すると、電源供給用として
１６個、信号取り出し用として１６個の計３２個が必要
となる。

一素子を取り出して図示すると、第８図のようになり、
各アナログスイッチ６８．７０のチャンネルと入出力コ
モン端子ＣＯとの接続は、コントロール端子Ａ、Ｂ、Ｃ
，Ｄを用いて行う。各アナログスイッチのコントロール
端子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは、コンピュータ７２に接続してあ
り、インヒビノド端子ＩＮＨはインバータ７４．７Ｇを
介してシフトレジスタ７８．８０に接続しである。そし
て、シフトレジスタ７８．８０は、コンピュータ７２か
ら制御信号を受ける。なお、信号取り出し用のアナログ
スイッチ７０の人出力コモン端子は、増幅器４４、比較
器４６を介してコンピュータ７２に接続される。

コンピュータ７２は、複数の電源用アナログスイッチと
信号用アナログスイッチとの内、それぞれの１つをオン
状態にし、他のすべてをオフ状態にする。すなわち、コ
ンピュータ７２は、信号を取り出すべき受光素子が接続
しである電源用アナログスイッチ６８と信号用アナログ
スイッチ７０とのインヒビノド端子ＩＮＨに、シフトレ
ジスタ７８．８０を介して「Ｌ」を与えてオン状態にす
るとともに、他のすべてのアナログスイッチのインヒビ
ノド端子Ｉ　Ｎ　ＨにｒＨ，を与えてオフ状態にする。

その後、コントロール端子に制御信号を送り、前記した
ように各受光素子の出力信号を取り込む。

肛り丈韮■ 一辺が１００ｒｎｒｎの透明ガラス仮に、Ｘ方向に延在
させた厚さ１μｍ、幅５０μｍのＳｎ０ｗ透明電極を、
Ｘ方向に５０μｍ間隔で２５７本作成する０次に、この
ｊ３明電極上に厚さ２００人、５０μｍ角のＰ型シリコ
ン半導体を５０μｍ間隔で定着させる０次いで、Ｐ型シ
リコン半導体」−に真正半導体を５０００人の厚さで定
着させてＩＩＭを形成し、さらにこの上にＮ型シリコン
半導体を５００人定着し、ＰＩＮ構造を有する網目状の
シリコン受光素子を形成する。その後、透明電極を横切
ってＸ方向に延在し、かつ受光素子上を通過させて厚さ
１μｍ１幅５０μｍの電極を、Ｘ方向に５０μｍ間隔で
２５７本金莫着により形成する。

このように作成したアモルファスＳｉ　：Ｈをリード線
を用いて回路基板に接続する。そして、第９図のように
電源供給用のディジタルマルチプレクサ８２の入出力コ
モン端子を電源ＶＣＣに結線し、各チャンネルを各受光
素子のカソードに接続する。

また、各受光素子のアノードを比較器８４を介して信号
用ディジタルマルチプレクサ８６の各チャンネルに接続
する。そして、信号用ディジクルマルチプレクサ８６の
入出力コモン端子は、信号取り出し用としてコンピュー
タに接続する。なお、比較器８４に代えて、演算増幅器
を用いてもよく、比較器と演算増幅器とを併用してもよ
い。

第９図に示したディジタルマルチプレクサ８２．８６の
制御は、第１実施例と同様にコンピュータにより行う。

肛止丈崖朋 一辺が１２０ｍｍの透明ガラス板に、Ｙ方向に延在させ
た１γさ１μｍ、ｌｌｉｌｏｏμｍのＳｎｏ！透明電極
を、Ｘ軸方向に１００μｍ間隔で２５７本作成する０次
いで、端子取り出し用電極部を除く透明ガラス板の全面
に、アモルファスＳ　ｉ　：　Ｈを定着させる。その後
、Ｘ方向に延在させた１００μｍ幅の？ｉｔ極を、Ｙ方
向に１００μｍ間隔で２５７本金蒸着により形成する。

そして、バット電極部を基板の周辺部に設け、このバッ
ト電極部をワイヤまたはリード線を用いて周辺回路に接
続する。

この実施例の回路は第１Ｏ図のようになり、カソードを
スイッチＡＳ！を介して電源ＶＣＣに接続し、アノード
にスイッチＡＳ、を接続して、スイッチＡＳ、、ＡＳＺ
で選択された信号のみが出力として取り出される。この
とき、信号取り出し回路は、第１１１１の如くなる。す
なわち、受光素子のアノードが電界効果トランジスタ（
ＦＥＴ）９０のドレインに接続され、ソースがコンピュ
ータに接続され、ゲートがシフトレジスタ９２に接続さ
れる。また、受光素子に逆バイアスを加える場合、第１
２図のようにＦＥＴ９４のドレインを電源Ｖ（ｅに接続
し、ソースを受光素子のカソードに接続し、ゲートをシ
フトレジスタ９６に接続する。

電圧の印加、信号の取り出しは、シフトレジスタにクロ
ック信号を入力し、図の左の１番目から順次ゲートをｒ
Ｈ，としてドレイン、ソース間を開くことにより行う。

そして、透明電極の左端上端の最初のｌビットから左端
の透明電極上を１ビツトずつ信号を取り出し、Ｙ軸方向
のデータとしてコンピュータに送る。Ｙ軸方向の２５６
ビツトの信号の送出が終了したならば、次の２番目の透
明電極について同様にしてデータをコンピュータに送る
。

このようにして全ビットのデータをコンピュータに入力
したならば、コンピュータがデータに基づいて演算し、
光の当たっている位置を求めるなお、各実施例に示した
二次元位置センサは、各実施例のいずれの回路を使用し
てもよいことは勿論である。

（発明の効果］ 以上に説明した如く、本発明によれば、交差している電
極間に受光素子を設けたことにより、外乱光による影響
を少なくでき、外乱光による出力と信号光による出力と
を分離することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る二次元位置センサの実施例の正面
図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は
実施例に係る二次元位置センサの信号取り出し方法の原
理説明図、第４図、第５図は信号取り出し回路の実施例
の説明図、第６図、第７図は回路基板への接続方法の説
明図、第８図は第１実施例の信号取り出し方法の説明図
、第９図は第２実施例の信号取り出し方法の説明図、第
１０図は第３実施例の信号取り出し方法の原理説明図、
第１．１図は第３実施例の信号取り出し用回路図、第１
２図は第３実施例の電圧印加用回路Ａ第１３図は従来の
二次元位置センサの斜視図、第１４図は従来の二次元位
置センサの動作説明図である。 ３０−　二次元位置センサ、３２　　透明基板、３４−
Ｐ層、３６−・何層、３　Ｂ　−−ＮＪ！、Ｙ、　〜Ｙ
　、　　−・・−透明電極、ｘ　、　〜ｘ　ｆｉ−−を
極、Ｄｌｇ・ Ｉ）＋３ 受光素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）並列に配設した複数の第１の電極と交差して第２
   の電極を複数設け、これら第１の電極と第２の電極との
   少なくともいずれか一方を透明電極にするとともに、前
   記第１の電極と前記第２の電極との間に受光素子を介在
   させたことを特徴とする二次元位置センサ。